JP3763537B2 - リチウム−マンガン系複合酸化物及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
しかしながらこのマンガン酸リチウムは、高温においてマンガンが溶出しやすく、高温保存性や高温サイクル特性等の高温における電池性能が劣っているという欠点があった。
このような欠点を解消するために、添加物質として硼素(特許文献1及び特許文献2等)やアルミニウム、クロム、鉄、ニッケル、コバルト、カルシウム及びマグネシウム等(特許文献3)を使用して正極材料を湿式法で製造し該正極材料の高温特性を改善することが試みられている。後者の方法では、金属の炭酸塩、硝酸塩あるいは有機金属錯体を使用して正極材料が製造されている。しかしこのようにして得られる正極材料の高温特性も十分満足できるものではない。
本発明者らは、添加元素の種類や原料化合物の特性や熱処理温度等を種々検討した結果、本発明に到達したものである。
本発明は、硼素を含有するリチウム−マンガン系複合酸化物、特にリチウム二次電池の正極材料として使用される複合酸化物の製造用硼素源として硼酸リチウムを使用することを特徴としている。
一般に硼酸リチウムは酸化リチウムと酸化硼素の混合物で、メタ硼酸リチウム(LiBO2 )、四硼酸リチウム(Li2 B4 O7 )、五硼酸リチウム(LiB5 O8 )及び過硼酸リチウム(Li2 B2 O5 )等の各種形態で存在するが、本発明では、四硼酸リチウムの使用が望ましい。
これに対し、本発明のように硼素源として硼酸リチウムを使用すると、硼酸リチウムが解離して硼酸イオンがリチウム−マンガン構造中のリチウムと反応しても対イオンであるリチウムが反応したリチウムと置換されて元の構造に戻るので構造欠陥は生じない。
Lix のxを1<x≦1.1 とする理由は、1以下であるとリチウムを硼素が置換することになり、低温(20℃)での容量維持率が低く、高温(60℃)での電池特性が悪くなるからであり、一方1.1 を超えると過剰なリチウムがアルミニウム又はマグネシウム化合物と副相を生成し、20℃での放電容量及び60℃での電池特性が共に低下するからである。
本発明ではマンガン源として二酸化マンガン(γ−MnO2 、β−MnO2 )を使用することが望ましく、この他に三酸化二マンガン(Mn2O3 )も使用できる。二酸化マンガンの使用が好ましいのは、二酸化マンガンがリチウムの一次電池用正極材料として使用され、リチウムを構造内に取り込みやすく、更に電解二酸化マンガンではタップ密度を大きくしやすいからである。なお二酸化マンガンをマンガン原料とする場合にリチウム原料として水酸化リチウムを使用するとロータリーキルンで焼成を行うと、炉芯管への付着が大きくなり過ぎて操作性が低下し、しかもこのようにして得られるマンガン酸リチウムは一般に電池性能が低いため好ましくない。
使用するマンガン化合物の比表面積は50〜100m2/gが望ましく、50m2/g未満であるとアルミニウム又はマグネシウムの固溶が均一でなく高温 (60℃) の電池特性が悪くなる傾向があり、一方100m2/gを超えるとアルミニウム又はマグネシウムの固溶が充分でなく低温 (20℃) での放電容量が低く又高温 (60℃) での電池特性が悪くなる傾向があるからである。
これらの各化合物は、より大きな接触面積を得るために、混合前又は混合後に粉砕することが望ましい。
次いでこの混合物の焼成を焼成炉内で行う。焼成温度は700〜850℃とすることが望ましい。これは700℃未満であるとマンガン化合物とリチウム化合物の反応が充分でないことがあり、電池特性が低下することがあるからであり、又850℃を超えると一旦生成した複合酸化物の分解が起こることがあり、同様に電池特性が低下することがあるからである。
このようにして製造されるリチウム−マンガン系複合酸化物は、導電剤と結着剤と混合及び成形してリチウム電池等の正極物質とすることができる。又負極側の材料としてはリチウム自身やカーボン等のリチウムを吸蔵及び脱蔵できる材料が好ましく使用できる。
前記リチウム−マンガン系複合酸化物を使用して構成されるリチウム電池等の二次電池は、リチウム−マンガン構造におけるリチウムの溶出に起因する金属置換が生じないため、多数サイクル後においても電池性能の劣化が少なく、二次電池としての優れた特性を有している。
これらの発明では、組成物中で硼素が硼酸リチウム(Li2 B4 O 7 )として固定され、つまり硼素源である硼酸イオンがリチウムと結合して硼酸リチウムを形成し、該硼酸リチウムの解離により生成するリチウムイオンが、リチウム−マンガン骨格のリチウムと置換しても同じイオンであるため構造欠陥が生ずることがなく、従ってリチウム−マンガン系複合酸化物自体の有する高い電池性能が維持される。
従来法でリチウム−マンガン系複合酸化物を製造すると、焼成時に存在する硼酸等の硼素源によりリチウム−マンガン骨格中のリチウムが溶出し他のイオンで置換されて構造欠陥が生じるのに対し、本発明方法では硼素源として硼酸リチウムを使用して前述の通りリチウムが溶出してもリチウムにより置換されるため、実質的に構造欠陥が生ずることがなく、高性能のリチウム−マンガン系複合酸化物を提供できる。
又複合化合物の製造を硼素源及びマンガン源としてそれぞれ硼酸リチウム及びマンガン化合物を使用し、焼成を700〜850℃で行うと、最良の電池性能を有するリチウム−マンガン系複合酸化物が得られる。
図1は、本発明のリチウム−マンガン系複合酸化物を正極物質として使用するコイン型のリチウム二次電池の縦断面図である。
このときに正極材料として実質的に構造欠陥を有しない材料を使用しているため、放電容量、容量維持率及び容量回復率に優れたリチウム二次電池が提供できる。
二酸化マンガン(表面積:80m2/g)と、炭酸リチウム、水酸化アルミニウムを、Li:Mn:Al=1.05:1.90:0.10のモル比になるように秤量し混合後、硼酸リチウム(Li 2 B 4 O 7 )をこの混合物に対して0.5重量%添加してボールミルで混合し、電気炉中750℃で焼成し、解砕してリチウム−マンガン系複合酸化物を生成させた。
このリチウム−マンガン系複合酸化物を正極活物質としてコイン型電池を作成し、放電試験を行った。該放電試験は、充電電圧4.3 V、放電電圧3.0Vで20℃における初期放電容量(mAh/g)、15サイクル時での容量維持率(%)、60℃における15サイクル時での容量維持率(%)、60℃で10日間充電保存したときの容量回復率(%)を測定したところ、表1に示す通り順に118mAh/g、99.1%、90.2%及び91.7%であった。
二酸化マンガンの比表面積を50m2/gとしたこと以外は実施例1と同一条件で実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
二酸化マンガンの比表面積を100m2/gとしたこと以外は実施例1と同一条件で実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
電気炉中での焼成温度を700℃としたこと以外は実施例1と同一条件で実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
電気炉中での焼成温度を850℃としたこと以外は実施例1と同一条件で実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
水酸化アルミニウムの代わりに酸化マグネシウムを使用して同様のモル比になるようにしたこと以外は実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
金属間のモル比をLi:Mn:Al=1.02:1.90:0.10のモル比になるようにしたこと以外は実施例1と同一条件で実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
金属間のモル比をLi:Mn:Al=1.10:1.90:0.10になるようにしたこと以外は実施例1と同一条件で実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
金属間のモル比をLi:Mn:Al=1.05:1.95:0.05になるようにしたこと以外は実施例1と同一条件で実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
金属間のモル比をLi:Mn:Al=1.05:1.80:0.20になるようにしたこと以外は実施例1と同一条件で実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
硼酸リチウムを添加しなかったこと以外は実施例1と同一条件で実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
硼酸リチウムの代わりに等モルの硼酸を添加したこと以外は実施例1と同一条件で実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
金属間のモル比をLi:Mn:Al=1.05:2.00:0のモル比になるようにしたこと以外は実施例1と同一条件で実施例1と同様の4種類の性能を測定し、その結果を表1に示した。
更に焼成温度が700 〜850℃の場合(例えば実施例1〜10)は、測定した4種の性能全てにおいて焼成温度が700 〜850℃の場合が優っており、焼成温度が700〜850℃であると電池特性の向上が著しいことが分かった。
また、アルミニウム及び/又はマグネシウムを含まないと(比較例3)、各種性能が低下することも分かった。
2 正極
3 区画板
4 固定用樹脂
5 蓋体
6 負極
Claims (3)
- リチウム、マンガン、アルミニウム及び/又はマグネシウム、硼素及び酸素を含んで成るリチウム−マンガン系複合酸化物であって、該硼素は、Li2B4O7で示される硼酸リチウムの形で付加化合物として含まれ、Li x Mn (2-y) M y O 4 ・nLi 2 B 4 O 7 で示されるリチウム−マンガン系複合酸化物(Mはアルミニウム及び/又はマグネシウム、1<x≦1.1、0<y≦0.2、0.002≦n≦0.05)。
- リチウム源と、マンガン源と、アルミニウム及び/又はマグネシウム源と、これら原料化合物の総量に対して0.2〜1.0重量%のLi2B4O7とを乾式混合し焼成して得られる請求項1に記載のリチウム−マンガン系複合酸化物。
- 請求項1又は2に記載のリチウム−マンガン系複合酸化物を正極活物質として含有することを特徴とするリチウム二次電池。
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